王躍偉，齊力強，李晨陽，楊澤英，蘇長壽，董寬志

(1．中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000;2．大石橋市寬廣探礦設備有限公司，遼寧營口115100)

1 問題的提出

繩索取心液動錘鉆具綜合了繩索取心鉆進技術(shù)和液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)的優(yōu)點，具有鉆進速度快、臺月效率高，巖心堵塞少，回次進尺長，鉆孔質(zhì)量好，鉆孔彎曲強度低，巖礦心質(zhì)量高，鉆頭壽命長，勞動強度低等優(yōu)勢。

2007年，中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所(以下簡稱“勘探所”)研制出了SYZX系列繩索取心液動錘，并在地質(zhì)巖心鉆探領域得到迅速的推廣和規(guī)?；瘧茫蠓鹊靥岣吡算@探現(xiàn)場的施工效率、降低了施工成本、改善了鉆探質(zhì)量，特別是在破碎和堅硬“打滑”地層效果明顯。截止目前該鉆具累計推廣1600余套，完成鉆探進尺達到360萬m，已成為我國近年來鉆探技術(shù)發(fā)展和應用的熱點，得到鉆探行業(yè)的一致認可。

與傳統(tǒng)繩索取心鉆具相同，SYZX系列繩索取心液動錘的定位機構(gòu)也是彈卡定位機構(gòu)(如圖1所示)。這種機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單可靠，能有效地防止內(nèi)管總成上串而離開孔底，起到定位作用。但采用這種結(jié)構(gòu)，為保證彈卡鉗的收攏，彈卡擋頭和彈卡鉗軸向之間必須留有一定間隙(圖1中L)，因此內(nèi)管總成雖不上串，但難以保證其不會發(fā)生浮動。

圖1 彈卡結(jié)構(gòu)示意

液動錘在工作時，閥、上活塞、沖錘體、下活塞是運動件，它們和非運動件一起構(gòu)成相對密封的腔，從而使液動錘工作。液壓作用在運動件的同時也作用在非運動件上，也就是說液壓使運動件向下運動的同時也給非運動件一個向上運動的趨勢，彈卡擋頭和彈卡鉗之間的間隙使這種趨勢有機會成為運動。根據(jù)動量守恒，這種運動將使運動件的動量大打折扣，也就降低了液動錘的沖擊功以及沖擊功的傳遞效率，從而降低了鉆進效率。

基于以上認識，將彈卡擋頭和彈卡鉗之間的間隙降到最低，甚至消除這一間隙，可有效地解決內(nèi)管總成的浮動問題，增加繩索取心液動錘鉆具輸出的沖擊功，進一步提高生產(chǎn)效率。

2 球卡式定位機構(gòu)設計及工作原理

用球卡式定位機構(gòu)代替SYZX繩索取心液動錘中的彈卡定位機構(gòu)可有效提高定位精度，解決內(nèi)管總成的浮動問題，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 球卡式打撈定位機構(gòu)

撈矛頭下端通過彈性圓柱銷與滑套連接，滑套下端通過彈性圓柱銷與擋套連接，置于球卡座內(nèi)部。球卡座上端有圓孔，裝入彈性圓柱銷，同時該圓柱銷穿過滑套中的長條孔。球卡座上適當?shù)奈恢镁鶆蚍植寂c鋼球數(shù)量相同的孔，鋼球放在孔與擋套之間。球卡室與鉆桿相連位于鉆孔底部，下接頭下方連接液動錘等內(nèi)總成部件。

投放內(nèi)管總成時，用打撈器將內(nèi)總成放入鉆桿內(nèi)部，待僅剩撈矛頭露于孔口時手動脫卡，內(nèi)管總成開始在鉆桿內(nèi)下降，撈矛頭、滑套與擋套在重力作用下使得滑套沿其錐面給鋼球一個外推力。但由于繩索取心鉆桿內(nèi)通徑基本相同，鋼球沒有足夠的空間彈出。內(nèi)管總成繼續(xù)下降直到到位后停止下行，此時鋼球位置與球卡室的卡槽平齊，鋼球在外力作用下可被推出。而內(nèi)管總成到位后撈矛頭、滑套與擋套在重力及慣性作用下繼續(xù)下行，將鋼球推到卡槽后仍可繼續(xù)下行，直到滑套長條孔上端與球卡座上端彈性圓柱銷接觸，此時擋套與鋼球接觸部位為柱面。如圖2(a)所示。

鉆進開始后，巖心進入巖心管，勢必給巖心管一個向上的摩擦力，尤其是巖心發(fā)生堵塞時，內(nèi)管總成受力后鋼球與球卡室卡槽上端緊密接觸，卡槽給鋼球一個向內(nèi)推的力，而此時擋套與鋼球接觸的部分為柱面，無法使擋套上移解卡，故可實現(xiàn)定位。

打撈時打撈器撈住撈矛頭上行，撈矛頭、滑套與擋套上移，擋套與鋼球脫離，此時鋼球若受到向內(nèi)的推力即可向內(nèi)滾動實現(xiàn)脫卡。撈矛頭、滑套與擋套繼續(xù)上移，直到滑套長條孔下端與球卡座上端彈性圓柱銷接觸時，打撈器即可拉動內(nèi)總成整體上行，鋼球上行時球卡室卡槽向內(nèi)推實現(xiàn)解卡。如圖2(b)所示。

3 球卡式繩索取心液動錘研究

球卡式繩索取心液動錘鉆具在原SYZX系列繩索取心液動錘鉆具基礎上，以新研制的球卡定位機構(gòu)代替了原彈卡定位機構(gòu)，很大程度上改善了原鉆具內(nèi)管總成浮動的問題，增大了可輸出沖擊功，提高了鉆進效率，同時減少了鉆具長度，利于鉆具安全，降低了生產(chǎn)成本，完善了鉆具性能，提高了競爭優(yōu)勢。

上述球卡定位機構(gòu)在原理上是可行的，在研制過程中主要注意解決好以下技術(shù)關(guān)鍵:

(1)合理設計外管中與鋼球配合的凹槽，在保證外管強度的同時消除配合時內(nèi)外管可能產(chǎn)生的上下相對運動，同時該凹槽與鋼球的配合要求其有較高的抗碾壓性;

(2)通過強度計算，確定鋼球的材料、數(shù)量及熱處理工藝，保證鋼球的耐磨性及壽命;

(3)內(nèi)管上與鋼球配合的孔的位置及孔型設計，保證鋼球在自然狀態(tài)下不會向外脫落，內(nèi)管投放過程不會與外管發(fā)生卡阻現(xiàn)象，定位精確可靠，消除間隙。

4 球卡式繩索取心液動錘室內(nèi)測試和生產(chǎn)試驗

4．1 室內(nèi)測試

研制的球卡式繩索取心液動錘樣機在勘探所沖擊回轉(zhuǎn)試驗室進行了調(diào)試和打撈測試，測試結(jié)果表明，該鉆具可正常實現(xiàn)打撈定位功能，與原彈卡式結(jié)構(gòu)相比，鉆具長度有所減少，加工成本有所下降，且有效地減少了巖心堵塞時液動錘被上頂?shù)木嚯x，有利于提高液動錘沖擊功的輸出，進而可提高鉆進效率。

4．2 生產(chǎn)試驗

4．2．1 現(xiàn)場概況

該鉆具經(jīng)室內(nèi)測試后在遼寧某金銀礦詳查項目中進行了生產(chǎn)試驗，該孔設計孔深150 m，開孔直徑110 mm，終孔直徑 75 mm，傾角 78°，方位角 226°。地層主要為閃長巖，相對完整，孔壁穩(wěn)定，采用繩索取心液動錘鉆進。

配套鉆機為大石橋市寬廣探礦設備有限公司自主研制的全液壓動力頭鉆機。該鉆機輕便靈活，由油缸驅(qū)動可相對運動的上下盤代替了昂貴的履帶行走機構(gòu)，油缸滑輪組代替了主卷揚系統(tǒng)，在輕便化的同時也極大地降低了生產(chǎn)成本。鉆機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，實用性強。鉆機還配備了160 L/min馬達直驅(qū)泥漿泵。

由于孔壁穩(wěn)定，未使用膨潤土泥漿，鉆井液主要成分清水、皂化油、聚丙烯酰胺。

4．2．2 應用情況

鉆具于孔深130.14 m開始試驗，受礦層影響，根據(jù)地質(zhì)要求至215.42 m終孔，累計進尺85.28 m，完成打撈40余次。圖3為投放內(nèi)管總成，圖4為打撈內(nèi)管總成。

圖3 投放內(nèi)管總成

在鉆具最初使用過程中，將內(nèi)管提出孔內(nèi)后，曾發(fā)現(xiàn)鋼球被巖屑卡住無法彈出，撈矛頭無法復位的情況，這是由于鉆進過程中循環(huán)的鉆井液流經(jīng)鋼球周圍、鉆井液中攜帶的巖屑在此積留所致，這一過程出現(xiàn)在球卡定位功能實現(xiàn)以后，不影響鉆具正常工作。在地表用小錘敲打鋼球周圍將積留的巖屑震出即可解卡，繼續(xù)正常工作。隨著鉆具的磨合，在之后的使用過程中沒有再出現(xiàn)上述情況。

圖4 打撈內(nèi)管總成

后續(xù)使用中還曾出現(xiàn)一次鉆具投放后卡在鉆桿中沒有到位的情況，且在用打撈器解卡時上提不止一次，據(jù)此判斷并非球卡出現(xiàn)問題，極有可能是內(nèi)管總成與鉆桿間被巖屑卡住。一般來說，繩索取心鉆桿連接處間隙較小，根據(jù)理論計算，當這一間隙大于10.58 mm時鋼球才能滑出并被落下的滑套頂住無法回收，卡在間隙內(nèi)從而實現(xiàn)定位，非損壞的繩索取心鉆桿連接后顯然沒有如此大的間隙。

還曾出現(xiàn)一次內(nèi)管沒能順利到位被巖心向上頂而沒能取到巖心的情況，提大鉆取心后根據(jù)提出的內(nèi)管和巖心分析判斷，造成這一情況的原因是上一回次取心時一小段巖心脫落并卡在鉆頭內(nèi)部臺階以上，內(nèi)管投放后卡簧座坐在該小段巖心上而無法順利到位。這種情況在傳統(tǒng)的彈卡結(jié)構(gòu)鉆具中也會出現(xiàn)。

根據(jù)40余回次生產(chǎn)試驗情況，球卡式定位結(jié)構(gòu)基本可靠，雖然出現(xiàn)一次投放中卡在鉆桿內(nèi)部、一次沒能順利到位的情況，但基本可排查是球卡出現(xiàn)的問題，據(jù)此判定該結(jié)構(gòu)定位、打撈的成功率在95%以上。

4．3 發(fā)現(xiàn)的問題

該鉆具生產(chǎn)試驗進尺85.28 m，打撈總成磨損較小，只在鉆具工作時滑套與鋼球接觸部位有一壓痕，如圖5所示。該壓痕深度一旦超過2 mm球卡定位即將失效，故應采用硬度更高且合理的熱處理工藝來加工滑套。而在使用中也應該多檢查其磨損情況，及時檢查，及時更換。

圖5 滑套與鋼球接觸處出現(xiàn)壓痕

球卡室內(nèi)限位上端臺階處有輕微磨損和變形，如圖6所示。該磨損和變形在一定限度內(nèi)對球卡定位功能實現(xiàn)無影響，但隨著該磨損的發(fā)生，巖心堵塞發(fā)生時內(nèi)管總成上串距離變大。當此處變形加大到變形后的內(nèi)徑小于傳功環(huán)外徑時可造成內(nèi)管總成上提卡死的現(xiàn)象。根據(jù)計算變形后直徑要減小3 mm才可能出現(xiàn)這一情況，基本不可能發(fā)生，但也需繼續(xù)尋找更適合的材料和熱處理工藝來加工球卡室。

5 結(jié)論及下一步工作

室內(nèi)測試表明，研制的球卡定位機構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，原理可行，可有效提高繩索取心液動錘的定位精度，解決內(nèi)管總成的浮動問題，增加繩索取心液動錘鉆具輸出的沖擊功，進一步提高生產(chǎn)效率。

生產(chǎn)試驗驗證，該球卡式繩索取心液動錘的打撈定位成功率在95%以上，通過局部細節(jié)完善，完全可在生產(chǎn)實踐中使用。

滑套和球卡室的材質(zhì)和熱處理工藝需要改進提高，以增強其硬度和抗磨損性能，進一步提高鉆具的可靠性。球卡室內(nèi)卡槽也可進行部分形狀和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，以提高其可靠性。

本次試驗主要驗證其可靠性，受現(xiàn)場客觀條件限制未總結(jié)其鉆速提高情況，在完成上述優(yōu)化后還要進一步擴大試驗研究。

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